Reducción de costos de la tecnología fotovoltaica solar de película fina podría estar experimentando un renacimiento, gracias a las innovaciones recientes de eficiencia por el fabricante estadounidense First Solar. Foto cortesía de First Solar, Inc.
Dentro de un edificio de oficinas de una sola planta en Bedford, Massachusetts, en una sala secreta conocida como la Sala de crecimiento, el futuro de la energía solar se está cocinando a más de 2,500 ° F. Detrás de puertas cerradas y persianas vueltas hacia abajo, hornos personalizados con nombres ambiciosos como "Fearless" e "Intrepid" están ayudando a perfeccionar una nueva técnica de fabricación de obleas de silicio, el caballo de batalla de los paneles solares de hoy en día. Si todo va bien, el nuevo método podría reducir el costo de la energía solar en más del 20 por ciento en los próximos años.
"Esta oblea humilde permitirá que la energía solar sea tan barata como el carbón y cambiará drásticamente la forma en que consumimos energía", dice Frank van Mierlo, CEO de Tecnologías 1366, la compañía detrás del nuevo método de fabricación de obleas.
Habitaciones secretas o no, estos son tiempos emocionantes en el mundo de la energía renovable. Gracias a los avances tecnológicos y al aumento de la producción durante la década, la paridad de red, el punto en el que las fuentes de energía renovable como la solar y la eólica cuestan lo mismo que la electricidad derivada de la quema de combustibles fósiles, se acerca rápidamente. En algunos casos, ya se ha logrado, y las innovaciones adicionales que esperan entre bastidores son muy prometedoras para los costos de conducción aún más bajos, dando paso a una era completamente nueva para las energías renovables.
Sorpresa solar
En enero 2015, empresa de Arabia Saudita ACWA Potencia sorprendió a los analistas de la industria cuando ganó una oferta para construir una planta de energía solar 200-megavatios en Dubai que podrá producir electricidad para 6 centavos por kilovatio-hora. El precio era menor que el costo de la electricidad de las plantas de energía a partir de gas natural o carbón, el primero para una instalación solar. La electricidad de las nuevas plantas de carbón y gas natural costaría un estimado de 6.4 centavos y 9.6 centavos por kilovatio-hora, respectivamente, según la Agencia de Información Energética de EE. UU.
Los avances tecnológicos, incluyendo energía fotovoltaica que pueden convertir los porcentajes más altos de luz solar en energía, han hecho que los paneles solares más eficientes. Al mismo tiempo las economías de escala han hecho bajar sus costos.
Durante gran parte de la década de 2000s, el precio de un panel solar o módulo oscilaba alrededor 4 $ por vatio. En el momento Martin Green, uno de los principales investigadores fotovoltaicos del mundo, calcula el coste de todos los componentes, incluyendo los lingotes de silicio policristalino utilizado en la fabricación de obleas de silicio, el vidrio de protección en el exterior del módulo, y la plata utilizada en el cableado del módulo . Verde famosa declaración de que mientras nos basamos en el silicio cristalino para la energía solar, el precio sería probablemente nunca caer por debajo de $ 1 / vatio.
"Aquí hay un décimo de un porcentaje de una ganancia de eficiencia y una reducción de costos que se han sumado para hacer que la energía solar sea muy competitiva". Mark Barineau El futuro, Green y casi todos los demás en el campo creían, era con películas delgadas, módulos solares que se basó en materiales distintos al silicio que requieren una fracción de las materias primas.
Luego, de 2007 a 2014, el precio de los módulos de silicio cristalino reducido de $ 4 por vatio a $ 0.50 por vatio, todo menos terminar con el desarrollo de películas delgadas.
La dramática reducción en el costo provino de una gran cantidad de ganancias incrementales, dice Mark Barineau, un analista solar con Lux Research. Los factores incluyen un nuevo proceso de bajo costo para la fabricación de silicio policristalino; obleas de silicio más delgadas; hilos más finos de la parte frontal del módulo que bloquean menos luz solar y el uso de menos plata; menos costosos plástico en lugar de vidrio; y una mayor automatización en la fabricación.
"Aquí hay una décima parte del aumento de la eficiencia y las reducciones de costos que se han sumado para hacer que la energía solar sea muy competitiva", dice Barineau.
Cents 25 por vatio
"Obtener por debajo de $ 1 [por vatio] ha superado mis expectativas", dice Green. "Pero ahora, creo que puede ser incluso más bajo".
Un posible candidato para conseguirlo es el nuevo método de fabricación de obleas de 1366. Las obleas de silicio detrás de los paneles solares de hoy están cortadas de grandes lingotes de silicio policristalino. El proceso es extremadamente ineficiente, convirtiendo tanto como la mitad del lingote inicial en aserrín. 1366 adopta un enfoque diferente, ya que derrite el silicio en hornos especialmente construidos y lo transforma en obleas finas por menos de la mitad del costo por oblea o un porcentaje de 20 en el costo total de un módulo de silicio cristalino. 1366 espera comenzar la producción en masa en 2016, según van Mierlo.
Mientras tanto, las películas delgadas, una vez que cree que es el futuro de la energía solar, entonces aplastado por silicio cristalino bajo costo, podría experimentar un renacimiento. La oferta de bajo costo récord reciente para la energía solar en Dubai aprovecha de película fina de teluro de cadmio módulos solares hechos por el fabricante de EE.UU. First Solar. La empresa no solo se mantuvo como la gran mayoría de las compañías de película delgada, sino que ha producido de manera consistente algunos de los módulos menos costosos al aumentar la eficiencia de sus células solares al tiempo que aumenta la producción. La compañía ahora dice que puede fabricar módulos solares para menos de 40 centavos por vatio y anticipa nuevas reducciones de precios en los próximos años.
Diez años a partir de ahora podríamos ver fácilmente el costo de los módulos solares cayendo a 25 centavos por vatio, o aproximadamente la mitad de su costo actual, dice Green. Para reducir los costos más allá de eso, la eficiencia de conversión de la luz solar en electricidad tendrá que aumentar sustancialmente. Para llegar allí, otros materiales semiconductores deberán apilarse sobre las células solares existentes para convertir un espectro más amplio de luz solar en electricidad.
"Si se puede apilar algo en la parte superior de una oblea de silicio que será prácticamente inmejorable", dice Green.
Green y sus colegas establecen un récord para la eficiencia del módulo solar de silicio cristalino en porcentajes 22.9 en 1996 que aún se mantiene en la actualidad. Green duda que la eficacia del silicio cristalino solo sea mucho mayor. Sin embargo, con el apilamiento de celdas, dice "el cielo es el límite".
Una cuestión de tamaño
Mientras que la energía solar está empezando a llegar a la paridad de red, la energía eólica es ya allí. En 2014, el precio medio mundial de la energía eólica en tierra era la misma que la electricidad a partir de gas natural, De acuerdo con Bloomberg New Energy Finance.
Al igual que con la energía solar, el crédito se destina a avances tecnológicos y aumentos de volumen. Para el viento, sin embargo, la innovación ha sido principalmente una cuestión de tamaño. Desde 1981 hasta 2015, la longitud promedio de una pala de rotor de turbina eólica aumentado más de seis veces, desde los medidores 9 hasta los medidores 60, ya que el costo de la energía eólica Caído por un factor de 10.
"Aumentar el tamaño del rotor significa que está capturando más energía, y ese es el conductor más importante a la hora de reducir el costo de la energía eólica", dice D. Todd Griffith de Sandia National Laboratories en Albuquerque, Nuevo México.
Griffith supervisó recientemente la construcción y ensayo de prototipos de varias hojas 100 metros de longitud en Sandia. Cuando el proyecto se inició en 2009, las grandes palas en operación comercial eran 60 metros de largo. Griffith y sus colegas querían ver hasta dónde podían empujar la tendencia de palas cada vez mayores antes de que se encontraron con diseño y materiales limitaciones.
"Estoy totalmente de esperar para ver cuchillas metros 100 y más allá." - D. Todd GriffithTheir primer prototipo era una cuchilla todo-fibra de vidrio que utiliza diseños y materiales similares como las que se encuentran en las palas comerciales relativamente pequeños en el momento. El resultado fue una cuchilla 126 toneladas prohibitivamente pesado que era tan delgado y largo que era susceptible a la vibración de los fuertes vientos y la tensión gravitacional.
El grupo fabricó dos prototipos posteriores empleando fibra de carbono más fuerte y liviana y una forma de cuchilla que tenía una base plana en lugar de bordes afilados. La cuchilla del medidor 100 resultante era un 60 por ciento más ligera que su prototipo inicial
Desde que comenzó el proyecto en 2009, las palas más grandes utilizadas en las turbinas eólicas marinas comerciales han crecido desde los medidores 60 hasta aproximadamente los medidores 80 con prototipos comerciales más grandes que se encuentran en desarrollo. "Espero ver las cuchillas del medidor 100 y más", dice Griffith.
A medida que las cuchillas se hacen más largas, las torres que se elevan ellos son cada vez más alto para coger, mayor viento más constante de velocidad. Y a medida que crecen más altas torres, los costos de transporte son cada vez más caros. Para contrarrestar el aumento de los costos GE recientemente debutó una torre de "estructura espacial", una torre de celosía de acero envuelta en tela. Las nuevas torres usan aproximadamente 30 por ciento menos de acero que las torres de tubos convencionales de la misma altura y se pueden entregar por completo en contenedores de envío de tamaño estándar para ensamblaje en el sitio. Recientemente, la compañía recibió una subvención de $ 3.7 millones del Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar hojas espaciales similares.
Innovación Offshore
Sin embargo, al igual que los paneles solares de silicio cristalino, la tecnología eólica existente eventualmente se encontrará con los límites de los materiales. Otra innovación en el horizonte para el viento está relacionada con la ubicación. Los parques eólicos se están desplazando hacia la costa en busca de mayores recursos eólicos y menos conflictos por el uso de la tierra. Cuanto más se alejan de la costa, más profundas son las aguas, lo que hace que el método actual de fijación de turbinas al fondo marino sea prohibitivamente caro. Si la industria se mueve en cambio a estructuras de soporte flotantes, el diseño del aerogenerador más pesado de hoy en día probablemente resultará demasiado difícil de manejar.
Una posible solución es una turbina de eje vertical, una en la que el eje del rotor principal se coloca verticalmente, como una vuelta feliz, en lugar de horizontalmente como una turbina eólica convencional. El generador para una turbina de este tipo podría colocarse a nivel del mar, lo que le da al dispositivo un centro de gravedad mucho más bajo.
"Hay muchas posibilidades de que otro tipo de tecnología de turbina, muy bien vertical, sea la más rentable en aguas profundas", dice Griffith.
La última década ha producido notables innovaciones en tecnología solar y eólica, lo que ha traído mejoras en la eficiencia y el costo que en algunos casos han excedido las expectativas más optimistas. Lo que traerá la próxima década no está claro, pero si la historia sirve de guía, el futuro de las energías renovables parece extremadamente positivo. 
Este artículo apareció originalmente en ENSIA
Sobre el Autor
Phil McKenna es un escritor independiente interesado en la convergencia de personas fascinantes e ideas intrigantes. Principalmente escribe sobre la energía y el medio ambiente con un enfoque en los individuos detrás de las noticias. Su trabajo aparece en EL New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER y NOVA, donde es editor colaborador.
